Lebontható Polimerek Biokompozitok 2012 Teljes Részletes Előadás

Dr. Tbi TamsEgyetemi adjunktus, Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem,

Gpszmrnki Kar, Polimertechnika Tanszk

2012. November 21.

LebonthatLebonthat

polimerek, biokompozitokpolimerek, biokompozitok

Hirdetnival!!!

-

Jelenlti vet ki kell tlteni!

- Jv

hten gyrltogats!

- Jv

hten rarenden kvli zh

(3. zh), november 29.-n cstrtkn, 15 rakor, itt, azaz az MT eladban!

Bevezets

Biolgiailag leboml

(lebonthat) polimerek

(rviden leboml polimerek vagy biopolimerek) alatt olyan, ltalban termszetes

alap, megjul

erforrsbl ellltott polimereket rtnk, amelyek a talajban komposztlva, vagy biotikus

krnyezetbe

helyezve a gombk, baktriumok vagy algk enzimatikus lebont kpessgnek hatsra hnapok, esetleg nhny v alatt szemmel

nem lthat

rszekre bomlanak

s a bomlstermkek nem szennyezik a krnyezetet vagy a komposztot.

Lebomlssal kapcsolatos fogalmak

Komposztlhat

polimer: Olyan polimer, amely biolgiai bomlsra kpes a komposztban. Lebomlsa

sorn vzz, szervetlen anyagokk

s biomasszv

alakul, szn-dioxid s oxignmentes krnyezetben

metn kpzdse mellett tovbb

a lebomlsi

folyamat hnapok, maximum egy v alatt vgbemegy.

Biolgiailag leboml

(lebonthat) polimer: Olyan polimer, amely biotikus

krnyezetben vagy komposztban a

mikroorganizmusok enzimatikus bont

hatsnak kvetkeztben kpes vzz, szervetlen vegyletekk

s biomasszv

lebomlani szn-dioxid s

oxignmentes krnyezetben

metn

kpzdse mellett tovbb

a lebomlsi folyamat hnapok,

maximum egy v alatt vgbemegy.

Bio-erodlhat

polimerOlyan polimer, amely nem enzimatikus ton kpes lebomlani. Ezek a polimerek ltalban h-

s/vagy, oxign-

s/vagy UV regeds hatsra szttredeznek,

de a tredkek tovbbi lebomlsra nem kpesek. Nem lebomlak a

hagyomnyos rtelemben, csak sztesek.

Lebomlssal kapcsolatos fogalmak

A biolgiai lebomls folyamn cskken a polimer molekulatmege, s a lnctredkeket s az oligomereket

a bont

baktriumok mr fel tudjk dolgozni.

A lebomls sorn vz, humusz (szerves anyagokban gazdag fld), s szn-dioxid, egyes esetekben pedig metn is kpzdik (levegtl elzrt, gynevezett anaerb

bomls).

Mikroorganizmusok bont

hatst (bomls sebessgt) befolysol

tnyezk:- Hmrsklet-

Pratartalom (vagy vztartalom)

- Napfny-

Oxidci

- Hidrolzis-

Polimer molekulaszerkezete (molekulatmeg-, eloszls, kristlyossg, stb.)

Lebomlst elsegt

krnyezet:-

Komposzt (ipari vagy hzi: aerb-anaerb

bomls!)

-

Talaj (elsva)-

Talaj (felsznen)

-

Tenger-

Szennyvz (szennycsatorna)

Leboml

polimerekkel szemben tmasztott kvetelmnyek

Kvetelmnyek a leboml

polimerekkel szemben:-

Hagyomnyos hre lgyul

manyagok feldolgozsi technolgiival

feldolgozhatnak, valamint jrafeldolgozhatnak

kell lennie, azaz legyen hre lgyul

-

A kivltani kvnt anyag mechanikai tulajdonsgaihoz hasonl tulajdonsgokkal kell rendelkezzen

-

Nedvessggel szemben legyen ellenll

(ne legyen vzoldhat)

-

Minden egyes alkoteleme s az ezekbl ellltott leboml

polimer legyen biolgiailag lebonthat, beilleszthet

legyen a termsze

t

krforgsba

Leboml

polimerek csoportostsa

Leboml

polimerek hatsa a krnyezetre

A kemnyt

s a termoplasztikus kemnyt

A kemnyt

A poliszacharidok

csoportjba tartozik a sznhidrt alap

kemnyt, amely egy ismtld

glkz egysgekbl ll

termszetes, polros polimer s az venknt

sokmilli

tonns nagysgrendben kpzd

biomassza egyik f

alkotja (Magyarorszgon a 2008-as adatokat tekintve 16 milli

tonna gabont

termesztettek, amelynek f

rsze a bza s a kukorica).A kemnyt

a nvnyek f

energiaraktrozja (fotoszintzis). Megtallhat

az

venknt megjul

gabonaflkben

(pl. bza, kukorica), a burgonyaflkben, s a hvelyes nvnyekben

(pl. bors). Egysgnyi tmeg

kukoricnak 67m% a

kemnyttartalma, a bznak 68m%, a burgonynak 18m%, a rizsnek pedig 75m%.

A kemnyt

s annak fizikai mdostsa

A

kemnytnek szemcss szerkezettel rendelkezik, amely nmagban nem feldolgozhat

termoplasztikus polimer

feldolgozsi technikkkal, mivel a bomlsi hmrsklete kisebb, mint az olvadsi hmrsklete. A hozzadott lgyttartalom s nyrs segtsgvel azonban elnyrhat

a

szemcseszerkezete. Ez a folyamat a lgyt- anyag tartalom fggvnyben

eredmnyezhet lelmiszeripari kemnytt vagy gynevezett termoplasztikus kemnytt (TPS

ThermoPlastic

Starch).

A TPS valjban nem hre, hanem hre s nyrsra egyttesen lgyul

(termo-mechano-plasztikus).

A kemnyt

s annak fizikai mdostsa

Termoplasztikus kemnyt

tulajdonsgai

A TPS, mint leboml

polimer tulajdonsgai:-

Mivel most mr termoplasztikus gy feldolgozhat

hagyomnyos polimer

alakadsi technolgikkal-

Olcs, mivel a kemnytbl elllthat

-

J

oxign s szn-dioxid zr

kpessggel rendelkezik-

Mechanikailag gyenge (nagymrtkben fgg a lgyttartalmtl)

-

Nagyfok

zsugorodssal rendelkezik-

Nedvessgfelvtele nagy, st, vzoldhat

-

regszik, azaz idvel vltoznak a mechanikai tulajdonsgai-

Knnyen, gyorsan lebomlik

-

Mindezek alapjn nmagban csak ers korltokkal hasznlhat-

Legtbb esetben a szintn leboml

PCL-lel

trstjk (= Mater-Bi)

Mater-Bi

(=PCL/TPS keverk)

A politejsav

A kemnyt

s annak kmiai mdostsa, tejsav ellltsa

Kemnyt

+ cukor erjesztse sorn tejsav kpzdik

Politejsav (PLA) ellltsa

Poly(lactid

acid) vagy Poly(lactide)?

PLLA

Poli-L-tejsav

PDLA

Poli-D-tejsav

PDLLA

Poli-D,L-tejsav

PLA

Politejsav (ltalban

Politejsav (PLA) ellltsa

Politejsav (PLA) tulajdonsgai

A PLA, mint leboml

polimer tulajdonsgai:-

Mechanikailag kivl

(szilrdsg, merevsg), de rideg (PS-hez

hasonl

tulajdonsgok), zsugorodsa csekly (0,3-0,5%)-

Lass

kristlyosods jellemzi, mledkllapotbl

lehtve nagy

valsznsggel teljesen amorf termket kapunk-

Mivel a Tg=55-65C, gy a hllsga is kicsi

-

Tg

fl

melegtve intenzv hideg-kristlyosods indul be-

Hagyomnyos technolgikkal feldolgozhat, de a feldolgozsra rzkeny

-

Hidrofil, de nem vzoldhat; vzgz s gzzr

kpessge a PET-nl rosszabb, ugyanakkor aromazrsa s zsrllsga kitn, ersen polros

-

Lebomlsval nem szennyezi a krnyezetet (vz, humusz, szn-dioxid keletkezik); UV fnynek ellenll

-

Lebomlsa komposztban pr hnap alatt vgbemegy, ugyanakkor csakis egy kezdeti hidrolzis utn indul meg, azaz szobahmrsklet mellett szinte teljesen stabil, s hossztvon, vekig hasznlhat

-

Szleskren mdosthat

mledkkeverssel

(extruzi)-

ra jelenleg a PC ra krl alakul

(1,9 Euro/kg)

Politejsav (PLA) mechanikai tulajdonsgai

0

10

20

30

40

50

60

70

H

z

s

z

i

l

r

d

s

g

[

M

P

a

]

AI1001

AI1031

BI3515

BI3800

Bottle

Frccs

Polipropiln

Polisztirol

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

H

z

r

u

g

a

l

m

a

s

s

g

i

m

o

d

u

l

u

s

z

[

M

P

a

]

AI1001

AI1031

BI3515

BI3800

Bottle

Frccs

Polipropiln

Polisztirol

0102030405060708090

100110120

C

h

a

r

p

y

-

f

l

e

t

s

z

i

l

r

d

s

g

(

n

e

m

b

e

m

e

t

s

z

e

t

t

)

[

k

J

/

m

^

2

]

AI1001

AI1031

BI3515

BI3800

Bottle

Frccs

Polipropiln

Polisztirol

A politejsav feldolgozsa

PLA frccsntse

-

Hossz, intenzv hts (Tg=60C)-

Hossz

utnyomsi id, hogy az

elosztrendszer is lunkermentes

legyen-

Szerszmreg oldalferdesge

(csekly zsugorods)-

Torlnyoms az mledk homogenits

rdekben-

Lehetsg szerint lefuvats

alkalmazsa

PLA zsugorodsa

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

300 400 500 600 700 800Utnyoms [bar]

Z

s

u

g

o

r

o

d

s

[

%

]

H0

HSZ

KE

KH

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,1 1 10 100 1000Id [ra]

Z

s

u

g

o

r

o

d

s

[

%

]

H0

HSZ

KE

KH

PLA zsugorodsa

PLA frccsntse

PLA vkuumformzsa

PLA palackfvsa

A PLA mdostsa

PLA alapanyag mdostsok

Kemnytvel tltttPolitejsav

(0-10-20-30%)

Kemnyt

tlts

PLA

Szaktvizsglat Hz rugalmassgi

modulusz [MPa] Hzszilrdsg

[MPa] Maximlis ernl mrt nyls [%]

3260 210 (97%) 60,1 2,2 (94%) 2,03 0,11 (84%) Hajltvizsglat

Hajlt rugalmassgi modulusz [MPa]

Hajltszilrdsg [MPa]

Maximlis ernl mrt nyls [%]

2680 190 (73%) 85,9 0,8 (69%) 2,15 0,06 (57%)

Cl a lebomlsi id cskkentse rvidtv

alkalmazsokhoz

31 Kemnyt

tlts

PLA vzfelvtele

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500 600 700Trolsi id [ra]

F

e

l

v

e

t

t

v

z

m

e

n

n

y

i

s

g

[

m

%

]

eredeti PLA

extrudlt PLA

5m% kemnyt

10m% kemnyt

15m% kemnyt

20m% kemnyt

25m% kemnyt

30m% kemnyt

KKeemmnnyytt ttaarrttaalloomm

y = 0,0625x + 0,39R2 = 0,9829

y = 0,1025x + 0,53R2 = 0,9854

y = 0,1284x + 0,58R2 = 0,9897

y = 0,1717x + 0,62R2 = 0,9911

y = 0,1998x + 0,62R2 = 0,9922

y = 0,2348x + 0,62R2 = 0,9933

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20 25 30Kemnyt tartalom [m%]

F

e

l

v

e

t

t

v

z

m

e

n

n

y

i

s

g

[

m

%

]

22 ra

50 ra

77 ra149 ra

246 ra

653 ra

TTrroollssii iidd

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700Trolsi id [ra]

F

e

l

v

e

t

t

v

z

m

e

n

n

y

i

s

g

[

m

%

]

Mrt tmegnvekeds

Szmolt tmegnvekeds

KKeemmnnyytt ttaarrttaalloomm

3 )2(

3

1])[(

= mct

emgtm

Kemnyttartalom [m%] c [g/s] m [m%] R

2 [-]

5 0,000675 1,49 0,989 10 0,001035 2,65 0,997 15 0,001665 4,30 0,998 20 0,002183 5,52 0,998 25 0,002610 6,54 0,997 30 0,002993 7,56 0,998

05001000

15002000

25003000

35004000

45005000

5500

0 10 20 30 40 50Krtapor tartalom [m%]

M

e

r

e

v

s

g

[

M

P

a

]

Krtapor tlts

PLA

Cl az r cskkentse

Krtaporral

tltttPolitejsav

(0-10-30-50%)

A PLA jrahasznostsa

PLA jrafeldolgozsi szintjei

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]

d

Q

/

d

T

[

m

W

]

E

x

o

t

e

r

m

PLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 302 teta szg []

R

e

l

a

t

v

i

n

t

e

n

z

i

t

s

[

-

]

0,1

1

10

100

1000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140 160Hmrsklet [C]

T

r

o

l

s

i

m

o

d

u

l

u

s

z

[

M

P

a

]

1C/perc

2C/perc

5C/perc

10C/perc

15C/perc

20C/perc

NNvveekkvv ffeellffttssii sseebbeessssgg

PLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 302 teta szg []

R

e

l

a

t

v

i

n

t

e

n

z

i

t

s

[

-

]

0,1

1

10

100

1000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140 160Hmrsklet [C]

T

r

o

l

s

i

m

o

d

u

l

u

s

z

[

M

P

a

]

80C, 10 perc

80C, 20 perc

80C, 30 perc

80C, 40 perc

80C, 50 perc

80C, 60 perc

100C, 10 perc

NNvveekkvv kkrriissttllyyoossssgg

Kristlyosodsi Kristlyolvadsi Hkezelsi id s hmrsklet cscs [C] entalpia [J/g] cscs [C] entalpia [J/g]

Kristlyossg [%]

80C, 10 perc 105,4 -18,4 150,8 20,9 3,3 80C, 20 perc 100,9 -16,3 152,1 21,4 6,7 80C, 30 perc 99,4 -17,8 151,9 21,8 5,3 80C, 40 perc 95,4 -13,2 152,1 23,0 13,0 80C, 50 perc 91,1 -11,4 150,9 24,5 17,3 80C, 60 perc 96,4 -7,5 150,4 23,4 21,0 100C, 10 perc nincs nincs 151,4 25,8 34,1 120C, 10 perc nincs nincs 151,6 29 38,4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]

d

Q

/

d

T

[

m

W

]

E

x

o

t

e

r

m

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]

d

Q

/

d

T

[

m

W

]

E

x

o

t

e

r

m

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]

d

Q

/

d

T

[

m

W

]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Hmrsklet [C]

d

Q

/

d

T

[

m

W

]

PLA kzvetlen jrahasznostsa darlkknt

0

10

20

30

40

50

60

70

H

z

s

z

i

l

r

d

s

g

[

M

P

a

]

AI1031

AI1031_1x_jra

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

H

z

r

u

g

a

l

m

a

s

s

g

i

m

o

d

u

l

u

s

z

[

M

P

a

]

AI1031

AI1031_1x_jra

0102030405060708090

100110

H

a

j

l

t

s

z

i

l

r

d

s

g

[

M

P

a

]

AI1031

AI1031_1x_jra

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

H

a

j

l

t

r

u

g

a

l

m

a

s

s

g

i

m

o

d

u

l

u

s

z

[

M

P

a

]

AI1031

AI1031_1x_jra

PLA kzvetlen jrahasznostsa darlkknt

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

t

l

a

g

o

s

z

s

u

g

o

r

o

d

s

[

%

]

AI1031

AI1031_1x_jra

A NitroKmia

Zrt. biofinomt

projektje

Hunest Biorefinery

Kft.

Biofinomt

projekt

BIOGZ ZEM

Hunest Biorefinery

Kft.

Biofinomt

projekt

Anyagramok (t/v)

BALATONFZFBIOFINOMT

BALATONFZFBIOFINOMT

100 000100 000 3 0003 000

8 0008 000

1 0001 000 Tejsav (lelmiszeripar)

Tejsav (gygyszeripar

Gluten

20

00020

000 Politejsav

30 00030 000 Laktt-szterek

30 00030 000 rlelt bioiszapButanolButanol

Bza

EtanolEtanol

Hunest Biorefinery

Kft.

Biofinomt

projekt

01234567

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Biofi

nom

t

m

i

l

l

i

t

o

n

n

a

Bza

Biofinomt ignye

100000 tonna

Bzaterms Magyarorszgon

Hunest Biorefinery

Kft.

Biofinomt

projekt

Megvalsult politejsav alkalmazsok, termkek

A vilgban megvalsult alkalmazsok

PLA-bl

ICO Zrt. PLA termkcsald

A politejsav lebontsa

A Politejsav (PLA) lebomlsa

PLA laboratriumi lebontsa

PLA

PLA/15m% cellulz

PLA/30m% kemnyt

PLA laboratriumi lebontsa

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Lebontsi id [ra]

T

m

e

g

v

l

t

o

z

s

[

%

]

PLA

PLA/30m%kemnyt

PLA/15m%cellulz

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Lebontsi id [ra]

T

m

e

g

v

l

t

o

z

s

[

%

]

PLA

PLA/30m%kemnyt

PLA/15m%cellulz

Enzimes oldat Desztilllt vz

PLA PLA/30m% kemnyt

PLA/15m% cellulz

Leboml

polimerek komposztlsa

Hmrsklet a komposztban

Id

[nap] ~1 ht

H

m

r

s

k

l

e

t

[

C

]

PLA komposztlsa

PLA PLA/30m% kemnyt

PLA/15m% cellulz

Termkek hzi komposztlsa (0.ht)

Biokompozitok

Biokompozit definci

Mire utal a bio

sz?-

Bio, mint biolgiai eredet, azaz vagy megjul

vagy pedig termszetes

erforrsbl ellltott (bio-based, renewable

resource

based)

-

Bio, mint biolgiai ton bonthat

(biodegradable)

-

Bio, mint biokompatibilis, azaz emberi szervezetbe beltethet (biocompatible)

Biokompozit definci

Biokompozit (tbbfle definci

ismeretes):Tgabb rtelmezs szerint:-

A biokompozit olyan kompozit, amely teljesti az albbi kritriumok egyikt:

-

legalbb az egyik komponense termszetes, megjul

erforrsbl szrmazik, vagy abbl szintetizlhat,

-

legalbb az egyik komponense biolgiai ton lebonthat,-

sszessgben s rszegysgeiben (mtrix, erstanyag, hatrfellet) is biokompatibilis.

Szkebb rtelmezs szerint:-

Olyan polimer kompozit, amelynek alkotelemei, azaz a mtrixanyag s az erstanyag is kln-kln megjul

vagy termszetes erforrsbl

elllthat

s biolgiai ton le is bonthat, vagy emberi szervezetbe beltethet

(emberi szervezetben felszvd). Kvetkezskppen maga a

biokompozit is biolgiai ton lebonthat.

Biokompozit definci

Defincibl add

krdsek:-

A PP termszetes szlakkal alkotott kompozitjait

is bio-nak

tekinthetjk? A szlak nem tudtak lebomlani, mivel krllelte ket a biolgiai ton nem lebonthat

mtrixanyag.

-

BioPP

(nem kolajbl, hanem ndcukorbl szintetizlt PP, biolgiai ton nem lebonthat) vagy a bio-epoxi

gyanta (szjaolajbl szintetizlt)

termszetes szlakkal alkotott kompozitja

biokompozit?

-

A biolgiai ton lebonthat

mtrix, de nem leboml

szlersts

(pl. sznszl) kompozit biokompozit?

Biokompozitok erstanyagai

Biokompozitok erstanyagai:-

A defincibl ereden termszetes s ltalban nvnyi eredet, biolgiai ton lebonthat

szlak

Lehet mg:-

Mestersges, svnyi, nem lebonthat

szlak (szn, veg, kevlr, bazalt)

KkuszPamut

Henequen

Juta

Kenaf

KenderLen

Anansz

Ramie

Szizl

Nvnyi szlak

A nvnyi szlak f

sszetevi a cellulz, a lignin, a hemicellulz, a viasz s ezek mellett jelents nedvessgtartalommal is rendelkeznek. Ngy csoportba sorolhatak: Hncs, levl, mag s gymlcs szlak.Elnyk:-

Olcsak (20-40%-a az ruk az vegszlnak), knnyek (1,2-1,6 g/cm^3),

-

Biolgiai ton lebonthatak,- F

alapanyaguk a cellulz, amely hatalmas mennyisgben keletkezik

vente a biomassza rszeknt fotoszintzis ltal (200.000.000.000 tonna, amg pl. a vilg polimer termelse 150.000.000 tonna, ebbl pedig

500.000 tonna a politejsav),-

A legnagyobb mennyisgben rendelkezsre ll

megjul

erforrs.

Htrnyok:-

Tulajdonsgaik (tmr, mechanikai tulajdonsgok) nagy szrssal brnak (nvny letkora, lelhely klmja, kinyersi mdja),

-

Gyengbb mechanikai tulajdonsgokkal, hllsggal, termikus stabilitssal (cellulz bomlik), UV-stabilitssal

(lignin bomlik)

rendelkeznek, mint a szintetikus szlak, s ghetek is (gsgtls!),-

Hidrofilek s jelents termszetes vztartalommal rendelkeznek

(Feldolgozsi problmk, PLA-t

hidrolizlhatja!!!).

Szlak tpusa Cellulz-tartalom [m%]Lignin-tartalom

[m%]Hemicellulz-tartalom [m%]

Pektin-tartalom [m%]

Viasz-tartalom [m%]

Vztartalom [m%]

Juta 61-71,5 12-13 13,6-20,4 0,2 0,5 12,6Len 71 2,2 18,6-20,6 2,3 1,7 10,0

Kender 70,2-74,4 3,7-5,7 17,9-22,4 0,9 0,8 10,8Ramie 68,6-76,2 0,6-0,7 13,1-16,7 1,9 0,3 8,0Kenaf 31-39 15-19 21,5 - - -

Sisal 67-78 8-11 10,0-14,2 10,0 2,0 11,0Anansz 70-82 5-12 - - - 11,8

Henequen 77,6 13,1 4-8 - - -

Pamut 82,7 - 5,7 - 0,6 -

Kkusz 36-43 41-45 0,15-0,25 3-4 - 8,0

Hncs-szlak

Levl-szlak

Mag-szlak

Gymlcs-szlak

Szlak tpusaSrsg [g/cm3]

tmr [m] Szakt-szilrdsg [MPa]Young-modulusz

[GPa]Szakadsi nyls [%]

Pamut 1,5-1,6 - 287-800 5,5-12,6 7-8Juta 1,3-1,5 25-200 393-773 13,0-26,5 1,2-1,5Len 1,5 - 345-1100 27,6 2,7-3,2

Kender - - 690 - 1,6Ramie 1,5 - 400-938 61,4-128 1,2-3,8Sisal 1,45 50-200 468-640 9,7-22,0 3-7

Anansz - 20-80 413-1627 34,5-82,5 1,6Kkusz 1,15 100-450 131-175 4-6 15-40E-veg 2,5 8-20 2000-3500 70 2,5S-veg 2,5 8-20 4570 86 2,8Aramid 1,4 - 3000-3150 63-67 3,3-3,7

Sznszl 1,7 8 4000 230-240 1,4-1,8Bazaltszl 2,7 15 1400-2000 62-66 2,2-3,5

A cellulz egy lineris poliszacharid

(hossz

lnc

sznhidrt), amelynek lncmolekulin lv

hidroxil

csoportok alkotnak hidrogn ktseket s emiatt

az sszes termszetes szl hidrofil. A kemnyt

ugyangy poliszacharid, mint a cellulz, csak amg a kemnyt

a tartalk tpanyag szerept tlti be,

addig a cellulz vzanyag.

A cellulz kmiai szerkezete a nvnyi szlakban azonos, de a polimerizcis foka jelentsen eltr

lehet (a legnagyobb 10000 krli). A nvnyi sejtek

szintetizlsakor elszr a cellulz vz kszl el s az tltdik fel ligninnel. A termszetes szlak szilrdsga a cellulz tartalommal n. Polrosak, gy az apolros, hagyomnyos termoplasztikus polimerekkel gyenge adhzi

rhet

el (ebben az esetben kompatibilizls

szksges). Mind a TPS, mind pedig a PLA ersen polros, gy a szintn polros termszetes szlakkal kompatibilizls

nlkl is j

az adhzija.

A cellulzrl rviden

Biokompozitok gyrtstechnolgii

Tekintve, hogy a megjul

erforrsbl ellltott lebonthat

polimerek hre lgyulak (kivtel TPS), gy az ezekbl alkotott biokompozitok gyrtstechnolgii kztt hre lgyul

gyrtstechnolgikat tallunk, mint:

-

Extruzit

kvet

frccsnts (TPS-nl

szinte csak ez alkalmazhat)-

Extruzit

kvet

prsels

-

Prselst kvet

frccsnts- Prsels-

Film-stacking

(rtegels) (nagy szltartalom elrhet)

-

Oldszeres nts-

Pultruzi

(s azt kvet

frccsnts)

ltalnosan elmondhat, hogy annl jobb mechanikai tulajdonsgokkal rendelkez

termket lehet kszteni, minl kmletesebb az adott technolgia a

szlakra nzve (szlhossz), minl nagyobb a szlak szilrdsga s minl nagyobb a szltartalom. Mindezek miatt a pultruzis, s a film-stacking

eljrsokkal lehet

elrni a legnagyobb szilrdsgot, ugyanakkor ezek az eljrsok csak egyszer, lapszer

termkek gyrtsra hasznlhatak s ciklusidejk is hossz.

Frccsntssel bonyolult, mretpontos termkek gyrthatak rvid ciklusidvel, de ennl a technolginl a legjelentsebb a szlak trdeldse.

Termoplasztikus kemnyt

(TPS) alap biokompozitok

TPS alap

kompozitok

Cellulz szlak

TPS alap

kompozitok

Nagyon rvid kritikus szlhosszt mrtek kitn adhzi

TPS alap

kompozitok

TPS alap

kompozitok

A TPS-hez

adott termszetes szlak hatsa:-

Mechanikai tulajdonsgok nvelhetek (szilrdsg, merevsg)

-

Lassul a TPS regedse, rekrisztallizcija

(idbeli ridegedse)-

Elfogadhat

szintre cskken a TPS zsugorodsa

- N

a TPS termikus stabilitsa (TGA vizsglat)-

Lebomls ltalban lassul, ellenllbb lesz a TPS

sszegzsknt elmondhat, hogy a TPS-hez

adott termszetes szlak segtsgvel sokan prbltk ellenslyozni a TPS htrnyos tulajdonsgait, de ez nem vagy csak rszben sikerlt, ezrt nincs vagy nem tudni nmagban TPS alap

biokompozit ipari alkalmazsrl. A TPS Polikaprolaktonnal

(PCL) trstva nyert szleskr

felhasznlst a csomagolstechnikban Mater-Bi

mrkanven.

Politejsav (PLA) alap

biokompozitok (nvnyi szllal erstett)

Szrts szksgessge

1000 ppm

(parts

per million) = 0,1%. A termszetes nvnyi szlak nedvessgtartalma tlagosan ~ 10%!!!

Nvelve a szrtsi hmrskletet, cskken a szrtsi id, s n

az elprologtathat

nedvessg tartalom, de a tl nagy szrtsi hmrsklet a

cellulz degradcijhoz vezethet!

PLA alap

biokompozitok

Mikrofibrillris cellulz szlak

PLA alap

biokompozitok

PLA alap

biokompozitok

Mselyem szlak

Len szlakMselyem szlak

PLA alap

biokompozitok

veg-, s jrahasznostott jsgpaprbl kivont cellulz szlak

PLA alap

biokompozitok vzfelvtele

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500 600 700Trolsi id [ra]

F

e

l

v

e

t

t

n

e

d

v

e

s

s

g

t

a

r

t

a

l

o

m

[

%

]

eredeti PLA

extrudlt PLA

5m% kemnyt

10m% kemnyt

15m% kemnyt

20m% kemnyt

25m% kemnyt

30m% kemnyt

y = 0,0665x + 0,3032R2 = 0,9881

y = 0,1088x + 0,3922R2 = 0,9903

y = 0,1353x + 0,4298R2 = 0,9934

y = 0,1797x + 0,4466R2 = 0,9939

y = 0,208x + 0,4422R2 = 0,9944

y = 0,2414x + 0,4758R2 = 0,9944

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20 25 30Kemnyt tartalom [%]

F

e

l

v

e

t

t

n

e

d

v

e

s

s

g

t

a

r

t

a

l

o

m

[

%

]

22 ra

50 ra

77 ra

149 ra

246 ra

653 ra

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800Trolsi id [ra]

F

e

l

v

e

t

t

n

e

d

v

e

s

s

g

t

a

r

t

a

l

o

m

[

%

]

15m% cellulz

PLA alap

biokompozitok hllsga

PLA hllsgnak nvelsi lehetsgei:- Megfelel

merevsg

biokompozit ltrehozsa, ami kibrja

a kritikus Tg

fltti tartomnyt (~50C-tl) s a termk hideg-kristlyosodsval biztostja a megemelt hllsgot. Felttel tovbb, hogy a hideg-

kristlyosods sorn a szlak visszatartjk a PLA fajtrfogatsban vgbemen

vltozsokat (srsgvltozs a kristlyosods miatt!!!)

- Megfelel

kristlyossg

biokompozit ltrehozsa, amelyben a kristlyos rszarny biztostja a legalbb 120C-os hllsgot. A PLA mledkbl

htve nagyon lass

kristlyosodssal rendelkezik, azaz szignifikns, hllsgot befolysol

kristlyos rszarnyt lass

htssel s/vagy hatsos

gckpzkkel lehet elrni. A termszetes szlak gckpzknt viselkednek, de gckpzsi hatsuk klnbzik, tovbb

az mledkllapotban

val

feldolgozsi technolgiknl nagy, akr tbb 100C/perc htsi sebessgek lpnek fel.

-

ltalban a kt folyamat egyttesen van jelen, de gy is kihvs hll

PLA biokompozitot

ltrehozni.

PLA alap

biokompozitok hllsga

Gyrtstechnolgia hatsa

Gyrtstechnolgia Biokompozit sszetteleSzilrdsg

[MPa]Rugalmassgi

modulusz [GPa]tmunka (bemetszett)

[kJ/m2]tmunka (nem

bemetszett) [kJ/m2]Nyls [%] HDT [%]

Frccsnts PLA mtrix 40-60 2,5-3,5 3-4 ~15-25 3-5 50-60

Oldszeres nts PLA + 20% mikrocellulz 70 5,2 - - 2 60

Pultruzi s frccsnts

PLA + 25% cellulz rost 108 4,2 8,4 68 - -

Extruzi s prsels PLA + 30% len 54 8,3 - 12 1,0 -

Film-stacking PLA + 40% juta 100 9,4 - 15 1,5 -

Film-stacking PLA + 30% len 100 8,0 - - 2,0 -

Prsels s frccsnts PLA + 30% len 55 6,3 - 11 - -

Prsels s frccsnts

PLA + 30% viszkz 58 4,9 - 72 - -

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% cellulz rost 68 5,3 4 - - 80

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% vegszl 80 6,7 6 - - 74

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% sznszl 110 13 4 - 1,3 62

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% bazaltszl 124 8 9,5 39 3 60

Politejsav (PLA) alap

biokompozitok (nem nvnyi szllal erstett)

vegszl ersts

PLA

Mivel a PLA ersen polros, az veg-, szn-, s bazaltszlak pedig apolrosak, gy ers adhzis kts kialaktshoz kapcsolszer szksges. A legtbb esetben a szlak fellett kezelik szilnnal, ami megfelel

kapcsoldst nyjt poliszterekhez,

gy a PLA-hoz

is.

Sznszl ersts

PLA

Bazaltszl ersts

PLA

Bazaltszlak:-

Vulkanikus eredet

svnyi szlak (bazaltlva megszilrdulsa sorn

kpzdik)-

Sok helyen fellelhet

a vilgon (Magyarorszgon pl. Badacsony, Soml)

-

J

mechanikai tulajdonsgai vannak-

Kmiai felpts az vegszlhoz hasonl

-

Olcs

(2,5 kg/Euro), krnyezetbart, bioinert-

Kivl

vegyszerllsg

-

Nagy hllsg

Bazaltszl ersts

PLA

Bazaltszlak gyrtsa:-

Junkers

technolgia (rvid szlak)

-

Szlhzsos technolgia (folytonos szlak)

Bazaltszl ersts

PLA extrudlsa

s frccsntse

Bazaltszl ersts

frccsnttt PLA

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35 40Basalt fibre content [wt%]

T

e

n

s

i

l

e

s

t

r

e

n

g

t

h

[

M

P

a

]

Silane treatedNot treated

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000


T

e

n

s

i

l

e

m

o

d

u

l

u

s

[

M

P

a

]


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200


F

l

e

x

u

r

a

l

s

t

r

e

n

g

t

h

[

M

P

a

]


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000


F

l

e

x

u

r

a

l

m

o

d

u

l

u

s

[

M

P

a

]


Bazaltszl ersts

frccsnttt PLA

0123456789

101112


C

h

a

r

p

y

i

m

p

a

c

t

s

t

r

e

n

g

t

h

(

n

o

t

c

h

e

d

)

[

k

J

/

m

2

]


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45


C

h

a

r

p

y

i

m

p

a

c

t

s

t

r

e

n

g

t

h

(

u

n

n

o

t

c

h

e

d

)

[

k

J

/

m

2

]


Bazaltszl ersts

frccsnttt PLA

Bazaltszl ersts

frccsnttt PLA

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120Temperature [C]

D

e

f

l

e

c

t

i

o

n

[

m

m

]

PLA15BN15BS20BS30BS40BS

Bazaltszl ersts

PLA ellltsa Film-stacking eljrssal

Bazaltszl ersts

PLA

Film-stacking

A kompozitok srsge ~ 2,3 g/cm3

Megj.: az alkalmazott erstanyag szvet volt

(csak a szlak fele ll terhels irnyban)!

Gyrtstechnolgia hatsa

Gyrtstechnolgia Biokompozit sszetteleSzilrdsg

[MPa]Rugalmassgi

modulusz [GPa]tmunka (bemetszett)

[kJ/m2]tmunka (nem

bemetszett) [kJ/m2]Nyls [%] HDT [%]

Frccsnts PLA mtrix 40-60 2,5-3,5 3-4 ~15-25 3-5 50-60

Oldszeres nts PLA + 20% mikrocellulz 70 5,2 - - 2 60

Pultruzi s frccsnts

PLA + 25% cellulz rost 108 4,2 8,4 68 - -

Extruzi s prsels PLA + 30% len 54 8,3 - 12 1,0 -

Film-stacking PLA + 40% juta 100 9,4 - 15 1,5 -

Film-stacking PLA + 30% len 100 8,0 - - 2,0 -

Prsels s frccsnts PLA + 30% len 55 6,3 - 11 - -

Prsels s frccsnts

PLA + 30% viszkz 58 4,9 - 72 - -

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% cellulz rost 68 5,3 4 - - 80

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% vegszl 80 6,7 6 - - 74

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% sznszl 110 13 4 - 1,3 62

Extruzi s frccsnts

PLA + 30% bazaltszl 124 8 9,5 39 3 60

Film-stacking PLA + 75% bazaltszvet 437 25 - - 2,5 -

PLA alap

kompozitok

A PLA-hoz

adott termszetes szlak hatsa:-

Mechanikai tulajdonsgok jelentsen nvelhetek

(szilrdsg, merevsg, tsllsg),-

Megnvekedett vzfelvtel a nvnyi szlakkal arnyosan,

-

Kristlyosodst elsegthetik (gckpzsre hajlamosak),-

Termikus stabilits (TGA-val

mrve) ltalban cskken, mivel a cellulz

rzkeny a nagy hmrskletre (>200C),-

HDT rtk (hllsg) nvelhet

vagy a szerkezet merevsgnek nvelsvel,

vagy a kristlyosods jelents mrtk

elsegtsvel (szlak gckpz

hatsa + lass

hts) a kritikus 60C-rl akr 120-140C-ig,

-

Lebomlsi tulajdonsgok a bont

kzegtl, krnyezettl fggen vltoznak. Ha csak hidrolzissel bontjuk a biokompozitot, akkor a szlak miatt lassul a lebomls mivel a cellulz nehezen hidrolizlhat

s trfogata miatt gtolja a

PLA mtrix hozzfrhetsgt.

sszegzsknt elmondhat, hogy a PLA-hoz

adott termszetes szlak segtsgvel a PLA biokompozitok elrik az vegszlas poliszterek mechanikai tulajdonsgait s alkalmass

vlnak mrnki alkatrszek

anyagaknt val

alkalmazsra.

Biokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsai

A biokompozitok ipari termelsben megvalsult alkalmazsai kztt egyelre fknt nvnyi szlakkal erstett, hagyomnyos, kolaj alap

hre lgyul

polimer kompozitokat

tallhatunk jellemzen olyan terleteken, ahol korbban vegszlas hre lgyul

vagy hre kemnyed

kompozitokat

alkalmaztak, mivel a fajlagos tulajdonsgaik sszevethetek, de htrnyknt megemlthet, hogy a termszetes szlak miatt gsgtlsra szksg van. Ilyen terletek lehetnek a klnbz

jrmvel kls, bels

burkolatai.

Kender ersts

PELen s kender erstsBiokompozit panelok

Kestrel

vrosi aut

s kender ersts

ajt

burkolata Kender ersts

poliszter

robog

burkolat


Ugyanakkor a megjul

erforrsbl ltrehozott, de biolgiai lebomlsra nem kpes polimerek nvnyi szllal erstett kompozitjaik

is teret hdtottak az

ipari felhasznlsban, mint pldul az vegszllal vagy nvnyi szllal erstett, szjaolajbl ellltott epoxi

gyanta, amely pldul a John Deere

traktorok egyes alkatrszeinek (burkaolatoknak) az anyagaknt, vagy tetburkol

panelknt is megjelent.

vegszlas szjaolaj-epoxi


Cellulz szllal jelents mennyisgben erstett hre lgyul

polimerek extruzijval

vagy hre kemnyed

polimerek pultruzijval

is szles krben

alkalmazhat

alkatrszeket, termkeket lehet ltrehozni, elssorban az ptipar (ablak keretek, padlzat, jrlap), vagy a btoripar szmra.

Farost ersts

hre lgyul polimer (WPC

Wood-

Polymer

Composite)


Termszetes szllal erstett, megjul

erforrsbl ellltott s egyben lebonthat

mtrix

(pl. PLA) biokompozit alkalmazsra egyelre mg

kevesebb plda van, mivel a lebonthat

polimer mtrix miatt egyelre szkeptikusak a felhasznlk a hossz

tv

felhasznlst illeten. Ugyanakkor

a mr meglv

alkalmazsok kztt szintn sk jelleg, legtbb esetben lennel, kenderrel, erstett PLA alap

termkeket tallunk.

Len szvet ersts

PLA

Len szvet ersts


Csontptls bazalt ersts

PLA vzanyaggal (porzus szerkezet)

A biokompozitok alkalmazsi terlete kz

tartozhat az orvostechnika is, mivel bazalt szllal (bioinert) erstett PLA vzanyagokat (porzus szerkezet) bizonytottan lehet alkalmazni csontptlsra. A vzanyagon a sejtek megtelepednek, s megindul a csontnvekeds, valamint a bazalt szlak lasstjk a vzanyag degradcijt s gy a tejsav kpzdst ezltal pedig a gyulladsos testi vlaszt


Nagyobb mennyisg

csont ptlsra alkalmazhat

bazalt szllal erstett PLA szl nyomtatsa is kzvetlenl termkk

(egyedi geometria) FDM (Fused

Deposition Modeling) technolgival.

Nyomtatott PLA termk


A PLA alap

biokompozitokat

mechanikai szempontbl lehetsges minden olyan terleten lehet alkalmazni, amelyen eddig vegszlas polisztert hasznltak. Mindennek megfelelen a PLA alap, nvnyi vagy svnyi szllal erstett biokompozitok a jvben vrhatan tovbbi terleteken fognak megjelenni, mint pldul az elektronika (nyomtatott ramkr alaplemez, telefonok, laptopok, perifrik burkolata), hztartsi gpek, ptipar, de akr tehervisel, tarts, mrnki (szerkezeti) anyagknt is elterjedhetnek (pl. fogaskerekek, tengelyek).

Slide Number 1Hirdetnival!!!BevezetsLebomlssal kapcsolatos fogalmakLebomlssal kapcsolatos fogalmakLeboml polimerekkel szemben tmasztott kvetelmnyekLeboml polimerek csoportostsaLeboml polimerek hatsa a krnyezetreSlide Number 9A kemnytA kemnyt s annak fizikai mdostsaA kemnyt s annak fizikai mdostsaTermoplasztikus kemnyt tulajdonsgaiMater-Bi (=PCL/TPS keverk)Slide Number 15A kemnyt s annak kmiai mdostsa,tejsav ellltsaPolitejsav (PLA) ellltsaPolitejsav (PLA) ellltsaPolitejsav (PLA) tulajdonsgaiPolitejsav (PLA) mechanikai tulajdonsgaiSlide Number 21PLA frccsntsePLA zsugorodsaPLA zsugorodsaPLA frccsntsePLA vkuumformzsaPLA palackfvsaSlide Number 28PLA alapanyag mdostsokKemnyt tlts PLAKemnyt tlts PLA vzfelvteleKrtapor tlts PLASlide Number 33PLA jrafeldolgozsi szintjeiPLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsaPLA kristlyossga, kzvetlen jrafeldolgozsaPLA kzvetlen jrahasznostsa darlkkntPLA kzvetlen jrahasznostsa darlkkntSlide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44A vilgban megvalsult alkalmazsok PLA-blICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldICO Zrt. PLA termkcsaldSlide Number 50A Politejsav (PLA) lebomlsaPLA laboratriumi lebontsaPLA laboratriumi lebontsaLeboml polimerek komposztlsaHmrsklet a komposztbanPLA komposztlsaTermkek hzi komposztlsa (0.ht)Termkek hzi komposztlsa (1.ht)Termkek hzi komposztlsa (2.ht)Termkek hzi komposztlsa (3.ht)Termkek hzi komposztlsa (4.ht)Termkek hzi komposztlsa (5.ht)Termkek hzi komposztlsa (6.ht)Termkek hzi komposztlsa (7.ht)Termkek hzi komposztlsa (8.ht)Termkek hzi komposztlsa (9.ht)Termkek hzi komposztlsa (11.ht)Termkek hzi komposztlsa (12.ht)Slide Number 69Biokompozit definciBiokompozit definciBiokompozit definciBiokompozitok erstanyagaiNvnyi szlakA cellulzrl rvidenBiokompozitok gyrtstechnolgiiSlide Number 77TPS alap kompozitokTPS alap kompozitokTPS alap kompozitokTPS alap kompozitokSlide Number 82Szrts szksgessgePLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitokPLA alap biokompozitok vzfelvtelePLA alap biokompozitok hllsgaPLA alap biokompozitok hllsgaGyrtstechnolgia hatsaSlide Number 92vegszl ersts PLASznszl ersts PLABazaltszl ersts PLABazaltszl ersts PLABazaltszl ersts PLA extrudlsa s frccsntseBazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts frccsnttt PLABazaltszl ersts PLA ellltsa Film-stacking eljrssalBazaltszl ersts PLA Film-stackingGyrtstechnolgia hatsaPLA alap kompozitokBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiBiokompozitok lehetsges s megvalsult alkalmazsaiSlide Number 116

Documents

Lebontható Polimerek Biokompozitok 2012 Teljes Részletes Előadás